熔盐堆主回路中运行空泡份额对壁面沉积衰变热的影响

《Energies》：Effect of Operating Void Fraction on Wall-Deposited Decay Heat in the Main Loop of a Molten Salt Reactor

　　

在熔盐堆中，裂变产物的多相输运会在整个主回路中产生不均匀的核素存量，从而影响随后的衰变热演化。尽管裂变产物输运已被广泛研究，但其对停堆后壁面沉积衰变热的影响仍未得到充分表征。本研究利用漂移通量模型（drift-flux model）扩展了钍裂变产物迁移程序（Thorium Fission Products Migration Code, ThorFPMC）的气泡输运能力，以研究在理想化排盐后条件下，运行空泡份额对壁面沉积衰变热的量值、空间分布、核素组成及后续演化的影响。结果表明，对于0.508 mm的基准气泡直径，随着运行空泡份额的增加，初始壁面沉积衰变热从41.33 kW降至6.63 kW，降幅达84.0%；气泡直径敏感性计算保持了相同的单调趋势。该源项仍具有显著的非均匀性，其中热交换器始终占据主导地位，而空泡份额的增加降低了堆芯占比并提高了外回路相对贡献。核素贡献从早期的广泛分布演变为长期由⁹⁵Nb和¹⁰³Ru主导，前驱体供给对若干重要子体核素的形成起到塑造作用。这些结果将运行期多相输运与部件级残余衰变热源联系起来，为停堆热工与系统分析中依赖运行工况的源项提供了基础。

**熔盐堆主回路壁面沉积衰变热研究：运行空泡份额的影响机制与停堆源项表征**

**1. 研究背景与目的**

熔盐堆（Molten Salt Reactor, MSR）以循环液体燃料区别于传统固体燃料反应堆。燃料盐流经堆芯和外部主回路时，裂变产物可通过主流输运、相间传质、表面沉积和去除等机制从其产生位置重新分布。由于特定位置的衰变热取决于局部核素存量及其组成，这些输运过程使得衰变热源在空间中呈非均匀分布，并依赖于先前的运行历史。因此，熔盐堆衰变热评估需要考虑裂变产物输运及由此导致的整个主回路中核素存量的再分布。

熔盐堆实验（Molten Salt Reactor Experiment, MSRE）期间开展的研究为理解循环燃料盐中裂变产物的迁移和滞留提供了早期基础，特别是不可溶贵金属物种在盐、结构表面、石墨和气液界面之间的输运与沉积行为。后续研究涉及不可溶颗粒的形成、生长、输运、沉积和去除，以及气态裂变产物行为、氙控制、尾气去除和气泡辅助输运等。在系统尺度上，这些过程通常采用降阶模型进行表征；更高保真度的计算流体动力学、粒子追踪和群体平衡方法则可更细致地解析局部流动、颗粒尺寸和界面效应。然而，停堆后由单个部件上滞留核素产生的衰变热所受到的定量关注仍然有限，该热源对运行期多相输运的依赖性也尚未得到充分表征。

这一运行工况依赖性对于涉及燃料盐转输或排放的停堆情景尤为重要。功率运行期间，裂变功率主导总产热，表面沉积核素产生的衰变热仅占系统热负荷的一小部分。停堆后，裂变源终止，放射性衰变成为主要残余热源。可迁移核素存量可能随燃料盐排出，而沉积在主回路表面的不可溶裂变产物可能保留在其原始部件上，其后续衰变形成持续的、空间固定的、与部件相关的热源。由于循环气泡提供了与壁面沉积竞争的界面输运路径，运行空泡份额可能影响停堆时壁面沉积总存量、部件级分布及其核素组成。因此，本研究的核心问题是运行空泡份额如何影响壁面沉积衰变热源的量值、空间分布、核素组成及停堆后演化。

**2. 研究方法**

研究人员采用耦合的多相裂变产物输运与核素演化框架，量化了运行空泡份额对停堆时壁面沉积存量的影响。研究使用的主要关键技术方法包括：（1）利用钍裂变产物迁移程序（Thorium Fission Products Migration Code, ThorFPMC），该程序将多相网络输运模型与熔盐堆专用燃耗程序（Molten Salt Reactor Specific Depletion Code, MODEC）的核素演化模块相耦合；（2）采用漂移通量模型（drift-flux model）离线生成节点依赖的气泡场参数，包括局部空泡份额、气泡尺寸和界面面积，作为ThorFPMC的固定输入；（3）采用切比雪夫有理逼近方法（Chebyshev Rational Approximation Method, CRAM）求解耦合演化方程，稀疏线性系统由PARDISO求解器处理；（4）构建MSRE主回路的24节点模型（23个物理节点和1个无出口尾气累积边界），节点0–22构成闭合主回路循环路径，节点22代表泵碗低流量再循环支路，节点23代表接收来自泵区规定核素存量的尾气累积边界。主回路和泵碗支路的体积流量分别为75,700和3,150 cm³ s^?1。研究设置了六个运行工况（G0–G5），其参考空泡份额分别为0、0.015%、0.050%、0.150%、0.500%和1.500%，对应整回路名义传质容量比约为0、0.1、0.3、1、3和10。每种工况在节点0采用相同的参考气泡半径，局部空泡份额、气泡尺寸和界面面积由气泡输运模型确定。所有工况均在8 MW恒定热功率下连续运行200天，燃料盐为LiF–BeF₂–ZrF₄–UF₄（69–25–5–1 mol%），密度为2.3275 g cm^?3，物理节点0–22中的燃料盐体积约为2.070 m³。停堆初始条件采用理想化排盐后假设，仅保留物理节点0–22中组件滞留的存量，排除燃料盐和气泡携带的可迁移存量以及尾气节点23的累积存量，随后仅通过放射性衰变和子体核素增长进行演化。

**3. 研究结果**

**3.1. 运行空泡份额对停堆时初始壁面沉积衰变热的影响**

对于0.508 mm的基准气泡直径，初始壁面沉积衰变热从G0的41.33 kW单调降至G5的6.63 kW，总降幅达84.0%。在低空泡份额下已观察到明显响应：G1相对G0下降7.3%，尽管其参考空泡份额仅为0.015%；G3和G4的降幅分别增至40.9%和67.1%。响应呈明显非线性，最大的边际降幅出现在低空泡份额范围。气泡直径敏感性计算表明，0.254、0.508和1.016 mm三种参考直径均保持单调下降趋势和低空泡份额范围的较强响应。当结果以整回路气泡-壁面名义传质容量比表达时，50%降幅对应的比值收敛至1.369–1.396，表明非线性转变更直接受相对传质容量比控制。

**3.2. 壁面沉积衰变热的初始空间分布与停堆后演化**

归一化节点级衰变热分数显示，初始壁面沉积衰变热强非均匀地集中于外回路部件。热交换器贡献最大（G0为43.51%，G5增至46.64%），其次为环形下降段和主回路管道，堆芯/石墨区贡献从约14.9%降至10.0%。节点14（热交换器首节点）在所有工况中均为最大贡献节点，占比约14.6%–15.8%。停堆后，各区域衰变热均持续下降但降速不成比例。热交换器在整个30天期间保持最大贡献者地位，而堆芯/石墨区由于初始含有较多短寿命Kr和Xe核素而衰减更快。泵系统的初始衰变热低于堆芯/石墨区，但因衰减较慢，在G0、G3和G5中分别于8.67 h、4.83 h和10 min时超过堆芯/石墨区。

**3.3. 壁面沉积衰变热的核素组成与衰变链机制**

停堆时初始衰变热分布广泛，G0中分别需要10、35和78个核素达到50%、90%和99%的累积贡献；随着空泡份额增加，G5中相应增至13、48和94个。时间演化呈现阶段性交替：停堆初期由¹⁰¹Mo、⁹⁷Nb等广泛分布，1 h时¹³⁴I成为主导（占13.5–15.5%），1天时¹³²I占45.0–45.8%，7天时⁹⁵Nb取代¹³²I居首，30天时⁹⁵Nb和¹⁰³Ru合计贡献约90%。空泡份额对单个核素存量的影响不均匀：G5中⁹⁵Nb和¹⁰³Ru的G5/G0比约为10%，而¹³³Xe仅约2%。区域核素组成对比显示，堆芯初始含有大量短寿命Kr和Xe核素，而热交换器和泵系统的分布更广泛；30天后各区域组成趋于收敛。前驱体归属分析揭示了三种特征模式：¹³⁴I和¹³²I完全由Te前驱体供给主导；⁹⁵Nb在30天时仍99.87%来自自身停堆存量；^99mTc和Ru–Rh子体则呈现从自身存量主导向前驱体供给主导的时间依赖性转变。

**4. 讨论与结论**

研究结果表明，单一的空间集总衰变热曲线不足以表征壁面沉积源项。运行空泡份额影响停堆时的量值、空间分布和核素组成，且区域衰变热曲线和核素特异性存量响应与G0情况不成比例缩放。源项表征应保留运行工况依赖性、部件或区域级空间分布、停堆后时间依赖性和相关前驱体关系。热交换器始终为最大贡献者且衰减慢于堆芯，因此基于堆芯的衰变热曲线将低估持久的换热器热源。研究结果可为后续热工水力分析提供源项输入，但不直接确定部件温度、冷却需求、盐冻结裕量或停堆安全，因为这些量还取决于热容、传热、盐循环、冷却系统运行和热边界条件。有限时长的排盐瞬态会同时改变盐存量、源项位置、流动路径和冷却条件，因此无法仅从当前源项结果推断最优排盐时间或运行空泡份额。

本研究得出三个主要结论：第一，运行空泡份额强烈影响残余源项的量值，基准气泡直径下初始壁面沉积衰变热从41.33 kW降至6.63 kW，降幅84.0%；第二，源项保持强非均匀性，热交换器始终为最大部件级贡献者，空泡份额增加降低了堆芯占比并提高了外回路相对贡献，堆芯因含较多短寿命Kr和Xe核素而衰减更快，泵系统贡献随后在依赖于空泡份额的时刻超过堆芯；第三，核素组成从广泛的初始分布演变为集中式长期源项，^N₉₀从停堆时的35–48降至30天时的2，此时⁹⁵Nb和¹⁰³Ru合计贡献约90%的衰变热。这些发现将运行期多相输运与主回路组件上滞留的残余衰变热源的量值、空间分布和核素组成联系起来。停堆源项应保留运行工况依赖性、部件级空间分辨率、时间依赖性和相关前驱体关系，而非依赖单一主回路曲线或均匀缩放因子。未来工作应将当前衰变热源模型与瞬态排盐和热工水力分析相耦合。该论文发表在《Energies》。